Grundlagen der Strömungsmechanik
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Die Hydrostatik ist die Lehre der ruhenden Fluide.
Hydrostatik
Versuche zu: Auftrieb, Dichte, Kapillarwirkung, u.ä.; verschiedene Methoden der Druckmessung
Lerninhalte/Übungen
- Auftrieb verschiedener Körper untersuchen
- Dichte von Flüssigkeiten untersuchen
- hydrostatischer Druck, Gesetz von Pascal
- kommunizierende Röhren
- Druckmittelpunkt ermitteln
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Flüssigkeitsdruck an Gefäßwänden
Lerninhalte/Übungen
- Druckverteilung entlang einer wirksamen Fläche in ruhender Flüssigkeit
- Seitenkraft des hydrostatischen Druckes
- Bestimmung des Druckmittelpunkts und des Flächenschwerpunkts
- Ermittlung der resultierenden Druckkraft
Ermittlung des Metazentrums und des Auftriebs; rechteckiger Spantquerschnitt
Lerninhalte/Übungen
- Untersuchung und Ermittlung von
- Auftrieb, Auftriebsschwerpunkt
- Massenschwerpunkt, Metazentrum, Stabilität
- Krängung
Vergleich von zwei verschiedenen Spantformen: Knick- und Rundspant
Lerninhalte/Übungen
- Vergleich von zwei verschiedenen Spantformen: Knick- und Rundspant
Die Hydrodynamik beschäftigt sich mit der Untersuchung und Beschreibung von Fluiden in Bewegung. Die Vermittlung der Erhaltungssätze von Masse, Energie und Impuls stehen im Vordergrund.
Hydrodynamik
Visualisierung von laminarer und turbulenter Strömung
Lerninhalte/Übungen
- Visualisierung der laminaren Strömung
- Visualisierung des Übergangsbereiches
- Visualisierung der turbulenten Strömung
- Bestimmung der kritischen Reynolds-Zahl
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Visualisierung von laminarer und turbulenter Strömung
Lerninhalte/Übungen
- Visualisierung von
- laminarer Strömung
- Übergangsbereichen
- turbulenter Strömung
- Sekundärströmung in einem Rohrkrümmer
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Messung von laminarer und turbulenter Strömung
Lerninhalte/Übungen
- Darstellung des Strömungsprofils
- Bestimmung einer lokalen und der gemittelten Strömungsgeschwindigkeit
- Einfluss der Reynolds-Zahl auf das Strömungsprofil
- Unterschiede von laminarer und turbulenter Strömungsausbildung erkennen
- Rohrreibung / Schubspannung
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Umströmung verschiedener Widerstandskörper und Anströmung von Wehren
Lerninhalte/Übungen
- Energiehöhen des Wassers beim Durchströmen eines Gerinnes mit verschiedenen Einbauten
- Untersuchung des Wechselsprungs
- Venturi-Durchflussmessung
- Energiedissipation im Gerinne
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Statische Drücke und Gesamtdruckverteilung entlang der Venturidüse
Lerninhalte/Übungen
- Energieumwandlung bei divergenter / konvergenter Rohrströmung
- Druckverlauf in der Venturidüse aufnehmen
- Geschwindigkeitsverlauf in der Venturidüse bestimmen
- Durchflusskoeffizient bestimmen
- Reibungseffekte erkennen
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Statische Drücke und Gesamtdruckverteilung entlang der Venturidüse
Lerninhalte/Übungen
- Energieumwandlung bei divergenter / konvergenter Strömung
- Druckverlauf in der Venturidüse aufnehmen
- Geschwindigkeitsverlauf in der Venturidüse bestimmen
- Druckverluste qualitativ bewerten
- Einflüsse von Düse und Diffusor auf den Druckverlust benennen
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Demonstration des Impulssatzes; austauschbare Prallflächen mit unterschiedlichen Umlenkwinkeln
Lerninhalte/Übungen
- Demonstration des Impulssatzes
- Untersuchung der Strahlkräfte
- Einfluss von Durchfluss und Strömungsgeschwindigkeit
- Einfluss unterschiedlicher Umlenkwinkel
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Demonstration des Impulssatzes; austauschbare Prallkörper mit unterschiedlichen Umlenkwinkeln
Lerninhalte/Übungen
- Anwendung des Impulssatzes
- Messen der Strahlkräfte
- Einflussgrößen von Strahlkräfte untersuchen
- Umlenkwinkel
- Düsenvordruck
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Umströmung verschiedener Widerstandskörper und Anströmung von Wehren; Tinte als Kontrastmittel
Lerninhalte/Übungen
- Einfluss unterschiedlich geformter Wehre auf die Strömung
- Visualisierung der Stromlinien bei der Anströmung von Wehren
- Visualisierung der Stromlinien bei der Umströmung verschiedener Widerstandskörper
- schießender und strömender Abfluss
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Untersuchung von Modellen in laminarer, zweidimensionaler Strömung; Tinte als Kontrastmittel
Lerninhalte/Übungen
- Visualisierung von Stromlinien bei der
- Umströmung von Widerstandskörpern
- Durchströmung von Querschnittsänderungen
- Einfluss von Quellen und Senken
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Untersuchung von Querschnittsänderungen in laminarer, zweidimensionaler Strömung; Visualisierung mit Hilfe von elektrolytisch erzeugten Wasserstoffbläschen
Lerninhalte/Übungen
- Visualisierung von zweidimensionalen Strömungen
- Konzept von Strom-, Bahn- und Streichlinie kennenlernen
- Stromlinienverlauf bei Durchströmung einer Versuchsstrecke mit Querschnittsänderung
- Grenzen der Potentialströmung
Zusammenhang zwischen durchströmter Querschnittsfläche und Strömungsgeschwindigkeit
Lerninhalte/Übungen
- Untersuchung der Kontinuitätsgleichung
- Demonstration der Massenerhaltung
- Erkennen der Einflussgrößen
- durchströmte Querschnitte
- Steigung der Flügelräder
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Der Ausfluss aus einem Behälter kann sowohl stationär als auch instationär betrachtet werden. Im stationären Fall bleiben die Füllhöhe und somit die Strahlweite konstant (z.B. beim Abfluss unter einem Wehr).
Sobald der Behälter sich während des Ausflussvorgangs leert, spricht man vom instationären Zustand.
Druckverluste und Ausflusskoeffizient für unterschiedliche Austrittskonturen bestimmen
Lerninhalte/Übungen
- Gleichung von Torricelli
- zeitlichen Verlauf des Füllstandes bestimmen
- Entleerungszeiten bestimmen
- Untersuchungen am Austrittsstrahl (Durchmesser, Geschwindigkeit)
- Durchflussbestimmung bei verschiedenen Ausflusshöhen
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Bahnkurve des Wasserstrahls bei verschiedenen Austrittsgeschwindigkeiten auftragen
Lerninhalte/Übungen
- Gleichung von Torricelli
- zeitlichen Verlauf des Füllstandes bestimmen
- Entleerungszeiten bestimmen
- Bahnkurve des Wasserstrahls bestimmen für
- verschiedene Austrittsgeschwindigkeiten
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Bahnkurve des Wasserstrahls und Ausflusskoeffizienten bei verschiedenen Austrittskonturen bestimmen
Lerninhalte/Übungen
- Einfluss des Füllstands im Behälter auf die Austrittsgeschwindigkeit untersuchen
- Anwenden der Bernoulli-Gleichung
- Vergleich von realer und theoretischer Austrittgeschwindigkeit
- Einsätze für den Ablauf mit unterschiedlichen Durchmessern und Einlaufkonturen untersuchen, Druckverlustbeiwert bestimmen
- Einfluss der Austrittsgeschwindigkeit und des Druckverlustbeiwertes auf die Bahnkurve des Wasserstrahls untersuchen
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Beim Durchströmen einer Rohrleitung nimmt infolge von Reibung die Druckenergie des Fluids ab und die innere Energie des Fluids nimmt zu.
Stationäre Strömung inkompressibler Fluide
Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckverlust, didaktisch aufeinander aufbauende Rohrstrecken
Lerninhalte/Übungen
- Druckverluste in Rohren, Rohrformstücken und Rohrleitungselementen
- Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckverlust
- Anwendung der Gleichung von Bernoulli
- Bestimmung von Widerstandsbeiwerten
- Öffnungskennlinien von Ventil und Kugelhahn
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Rohrreibung bei laminarer / turbulenter Strömung, Reynolds-Zahl und Rohrreibungszahl
Lerninhalte/Übungen
- Verwendung der Reynolds-Zahl bei Rohrströmung
- kritische Reynolds-Zahl bestimmen
- Berechnung der Reynolds- und Rohrreibungszahl aus Messdaten
- Vergleich von theoretischen Werten mit den Messwerten
- Einfluss der Temperatur untersuchen
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Reibungsverluste im Einlauf sowie bei unterschiedlichen Rohrgeometrien und Oberflächenrauigkeiten
Lerninhalte/Übungen
- Ausbildung der Strömung entlang der Einlaufstrecke
- Unterschied zwischen hydraulisch glatten und rauen Rohren
- Unterschied zwischen rundem Rohr und Rechteckquerschnitt
- Unterscheiden von laminarer und turbulenter Strömung
- Druckverlust bei laminarer/turbulenter Strömung bestimmen
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Strömungsvorgänge an verschiedenen Kontrollbauwerken; Verluste an Eintritt und Austritt
Lerninhalte/Übungen
- offenes Gerinne
- Strömung über Kontrollbauwerke: breitkroniges Wehr, schmalkroniges Wehr, rundkroniges Wehr mit schanzenförmigem Wehrauslauf, Sohlschwelle
- Ausfluss unter einem Schütz
- Wechselsprung
- geschlossenes Gerinne
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Druckverluste an verschiedenen Rohrleitungselementen und Rohrnetzen; Parallel- und Reihenschaltung von Rohrstrecken
Lerninhalte/Übungen
- Kalibrierkurve für einzelne Rohrstrecken aufnehmen: Druckverlust über Durchfluss
- Parallelschaltungen von Rohrstrecken
- Reihenschaltungen von Rohrstrecken
- kombinierte Reihen- und Parallelschaltung
- Untersuchung einer Ringleitung
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Bestimmung der kritischen Reynolds-Zahl
Lerninhalte/Übungen
- Messungen des Druckverlustes bei laminarer Strömung
- Messungen des Druckverlustes bei turbulenter Strömung
- kritische Reynolds-Zahl bestimmen
- Rohrreibungszahl ermitteln
- reale Rohrreibungszahl mit der theoretischen Rohrreibungszahl vergleichen
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Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckverlust
Lerninhalte/Übungen
- Druckverluste an Rohren, Rohrformstücken und Armaturen untersuchen
- Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckverlust
- Bestimmung von Widerstandsbeiwerten
- Öffnungskennlinien und KVS-Werte von Schrägsitzventil und Absperrschieber
- verschiedene Wirkdruckgeber zur Durchflussbestimmung kennenlernen:
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Bei Strömungsmaschinen findet die Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine über Strömungskräfte statt.
Modell einer Freistrahlturbine mit verstellbarer Düse; Wirkungsgradbestimmung
Lerninhalte/Übungen
- Aufbau und Funktion einer Peltonturbine
- Drehmoment, Leistung und Wirkungsgrad bestimmen
- Kennlinien für Drehmoment, Leistung und Wirkungsgrad grafisch darstellen
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Modell einer Überdruckturbine mit verstellbaren Leitschaufeln; Wirkungsgradbestimmung
Lerninhalte/Übungen
- Aufbau und Funktion einer Francisturbine
- Drehmoment, Leistung und Wirkungsgrad bestimmen
- Kennlinien für Drehmoment, Leistung und Wirkungsgrad grafisch darstellen
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Aufnahme einer typischen Pumpenkennlinie
Lerninhalte/Übungen
- Betriebsverhalten und Kenndaten einer Kreiselpumpe kennenlernen
- Pumpenkennlinie bei konstanter Drehzahl der Pumpe aufnehmen
- Drücke am Ein- und Austritt messen
- Förderstrom bestimmen
- Pumpenkennlinien für unterschiedliche Drehzahlen aufnehmen
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Kennlinien und hydraulische Leistung; Vergleich der Betriebsarten
Lerninhalte/Übungen
- Untersuchung von Pumpen in Reihen- und Parallelschaltung
- Förderhöhe messen
- Pumpenkennlinie aufnehmen
- hydraulische Leistung bestimmen
- Arbeitspunkt bestimmen
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Instationäre Strömung: die Geschwindigkeit eines Fluidteilchens ändert sich mit der Zeit und dem Ort. Instationäre Strömungen treten bei Ausflussvorgängen, bei An- und Abfahrvorgängen von Strömungsmaschinen oder bei Flüssigkeitsschwingungen und bei Druckstoßvorgängen auf.
Instationäre Strömung in Rohrleitungen und Wasserschlössern
Entstehung, Auswirkung und Funktion untersuchen
Lerninhalte/Übungen
- instationäre Strömungsverhältnisse in Rohrleitungssystemen durch Versuche verstehen
- Druckstöße in Rohrleitungen demonstrieren
- Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in Wasser ermitteln
- Funktion eines Wasserschlosses verstehen
- Eigenfrequenz im Wasserschloss
Demonstration der Funktion eines Regenrückhaltebeckens und einer Talsperre
Lerninhalte/Übungen
- instationäre Abflussvorgänge in zwei hintereinander liegenden Regenrückhaltebecken demonstrieren
- instationäre Abflussvorgänge in zwei hintereinander liegenden Stauseen demonstrieren
- Schwingungen des Wasserstands in einem Wasserschloss nach einem Druckstoß aufzeichnen
- Wasserstandsschwankungen aufnehmen und darstellen
